新型噴嘴R404a閃蒸瞬態(tài)噴霧冷卻傳熱特性

周致富，陳斌，白飛龍，王銳，王國祥,

（1西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049；2Akron大學(xué)機(jī)械工程系，Akron Ohio 44325-3903）

引言

葡萄酒色斑 PWS是一種先天性的真皮內(nèi)血管畸形，新生兒的發(fā)病概率一般為0.3%～0.5%。隨著年齡的增加，顏色會(huì)逐漸加深，厚度也會(huì)逐漸增加，甚至?xí)霈F(xiàn)結(jié)疤[1-2]。PWS大多數(shù)發(fā)生在患者面部或者頸部等人體暴露部位，會(huì)給患者的容貌帶來極大的損害，影響患者的生活質(zhì)量。激光療法具有見效快、負(fù)作用少等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為治療 PWS的首選方法。通過選擇特定波長的激光（臨床上主要選用585和595 nm脈沖染料激光），血管內(nèi)的血紅蛋白選擇性地吸收激光能量使得畸形血管熱致消融[3]。但是，表皮內(nèi)黑色素對這一波段的激光也有較強(qiáng)的吸收，不僅導(dǎo)致激光治療過程中表皮容易被熱損傷、限制了激光能量的提高，而且降低了到達(dá)真皮內(nèi)病變血管的激光能量，使得治療效率低、療效差。

Nelson等[4-5]提出了以制冷劑 R134a為工質(zhì)的瞬態(tài)噴霧冷卻（cryogen spray cooling, CSC），在激光作用皮膚之前，通過在皮膚表面噴射一定時(shí)間的制冷劑（通常為數(shù)十毫秒），可以將表皮溫度從室溫迅速降低至-30℃左右，能夠減小激光對表皮的熱損傷，提高治療激光能量。同時(shí)，制冷劑噴霧冷卻作用時(shí)間非常短，不會(huì)對深層的病變血管溫度造成較大影響，具有空間選擇性冷卻的特點(diǎn)，能夠一定程度改善治療效果[6]。然而，由于R134a沸點(diǎn)較高（大氣壓下為-26.07℃），同時(shí)目前臨床上噴霧均采用直管型噴嘴，液態(tài)制冷劑未經(jīng)充分膨脹蒸發(fā)就沖擊在皮膚表面，導(dǎo)致表面溫度不夠低，提供的冷量有限，仍然不足以抵消激光對表皮的熱損傷，尤其是對黑色素含量較高的黃色人種[7]。大量臨床研究發(fā)現(xiàn)，即使輔以制冷劑（R134a）瞬態(tài)噴霧冷卻的激光療法，PWS的完全治愈率仍然很低（不到20%）[8]。Dai等[9]對3種對人體無毒和對臭氧無破壞的制冷劑瞬態(tài)噴霧冷卻研究發(fā)現(xiàn)，R404a相比于R134a具有更強(qiáng)的冷卻能力，有望進(jìn)一步改善膚色較深的皮膚病患者的治療效果。Zhou等[10]對R404a閃蒸噴霧與傳熱特性進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，R404a具有更強(qiáng)的蒸發(fā)性，能夠產(chǎn)生更低的液滴溫度，冷卻具有更好的空間選擇性。

在直管型噴嘴中引入膨脹腔，可使得制冷劑在經(jīng)噴嘴出口噴出前，首先經(jīng)過膨脹腔，在其內(nèi)部由于壓力突降和空間變大，使得部分液體發(fā)生一次閃蒸破碎，釋放過熱度，經(jīng)歷一次降溫。因此，為進(jìn)一步提高噴霧冷卻能力，本文在前期研究基礎(chǔ)上[10-16]，設(shè)計(jì)了不同長徑比膨脹腔新型噴嘴，采用薄膜熱電偶表面快速測溫技術(shù)測量表面瞬態(tài)溫度和杜哈梅爾方法計(jì)算表面熱通量，對比研究了使用直管噴嘴和膨脹腔型噴嘴時(shí)R404a閃蒸瞬態(tài)噴霧的冷卻表面?zhèn)鳠崽匦?，并?yīng)用高速攝像儀觀測了膨脹腔內(nèi)流動(dòng)形態(tài)，探討了兩種不同噴嘴閃蒸霧化機(jī)理的差異。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理方法

制冷劑閃蒸瞬態(tài)噴霧冷卻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示于圖 1，制冷劑R404a（Dupont, USA）灌裝在儲(chǔ)液容器內(nèi)，其壓力由高壓氮?dú)馄颗c減壓閥控制，溫度由包圍在儲(chǔ)液容器周圍的油浴調(diào)節(jié)。安裝在電動(dòng)平移臺(tái)上的電磁閥（B2021SBTTO24DVC by Gems, USA）與噴嘴緊密連接，開關(guān)時(shí)間小于5 ms，可以精確實(shí)現(xiàn)噴霧時(shí)間為幾十毫秒的瞬態(tài)噴霧。冷卻基體為環(huán)氧樹脂，其熱物性與人體皮膚相似，具體可參見文獻(xiàn)[17-18]。通過磁控濺射技術(shù)在環(huán)氧樹脂表面噴涂厚度為 2 μm的薄膜熱電偶，其動(dòng)態(tài)反應(yīng)時(shí)間約為1 μs，測溫誤差為±2℃[14]。薄膜熱電偶測溫結(jié)點(diǎn)位于制冷劑噴霧冷卻表面中心位置。噴嘴出口與冷卻基體表面距離由電動(dòng)平移臺(tái)（WN105TA300M by Beijing Winner Optics Instruments Co., China）控制，位置調(diào)節(jié)精度8 μm。噴霧時(shí)間與溫度采集均由采集與控制系統(tǒng)中的M-6251型板卡（NI，USA）完成，溫度采樣率為 10000。應(yīng)用高速攝像儀（Phantom V1210 by York, USA）采用背光法對膨脹腔內(nèi)氣液流動(dòng)形態(tài)進(jìn)行高速觀察，拍攝速度為每秒10000幀，曝光時(shí)間為 20 μs。

直管型噴嘴與膨脹型噴嘴均由耐低溫高純度石英玻璃制造，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，直管噴嘴標(biāo)記為0#噴嘴，其長度為60 mm，內(nèi)徑為1 mm，膨脹腔型系列噴嘴分別標(biāo)記為1#～5#噴嘴，膨脹腔尺寸列于表1，與膨脹腔出口連接的細(xì)直管長度均為60 mm，內(nèi)徑均為1 mm。

圖1 制冷劑閃蒸瞬態(tài)噴霧冷卻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of flashing spray cooling

表1 0#～5#噴嘴膨脹腔尺寸Table 1 Size of expansion-chamber nozzle (0#～5#)

圖2 噴嘴結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic diagram of nozzles/mm

實(shí)驗(yàn)中，儲(chǔ)液容器內(nèi)壓力調(diào)整為1.6 MPa，溫度控制在30℃±1℃ （30℃時(shí)R404a對應(yīng)飽和壓力約為1.42 MPa），儲(chǔ)液容器內(nèi)壓力高于其飽和壓力，可以防止制冷劑液體流經(jīng)管路時(shí)發(fā)生相變而產(chǎn)生氣泡。噴霧時(shí)間Δt均設(shè)置為50 ms，噴嘴出口與冷卻基體表面距離均為30 mm（臨床中制冷劑噴霧冷卻使用距離）。

由于薄膜熱電偶厚度非常?。? μm），且直接鍍在冷卻表面，因此可以認(rèn)為測得的溫度即為冷卻表面溫度。故可以應(yīng)用杜哈梅爾計(jì)算方法從測得的表面溫度數(shù)據(jù)計(jì)算得到熱通量等，計(jì)算公式如下所示，詳細(xì)解法可參考文獻(xiàn)[10,19]。

式中，ρ、λ、cp分別為環(huán)氧樹脂的密度、熱導(dǎo)率與比熱容，T與t分別為溫度和時(shí)間。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3為不同型號噴嘴制冷劑R404a閃蒸瞬態(tài)噴霧冷卻液滴沖擊環(huán)氧樹脂表面中心處溫度隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化。當(dāng)電磁閥打開，高壓儲(chǔ)罐內(nèi)R404a制冷劑液體快速從噴嘴噴出，在噴嘴膨脹腔內(nèi)和噴嘴出口處壓力突降，變成極不穩(wěn)定的過熱狀態(tài)，從而形成劇烈的閃蒸霧化釋放熱量。同時(shí)由于制冷劑介質(zhì)的高揮發(fā)性，閃蒸噴霧形成的細(xì)小液滴在飛行過程中持續(xù)快速蒸發(fā)，而周圍對流換熱不足以提供蒸發(fā)所需的潛熱，因此需要從剩余液滴部分吸收潛熱，使得液滴溫度不斷降低直至最低溫度[11]。低溫液滴沖擊在環(huán)氧樹脂表面，導(dǎo)致表面溫度急劇下降至-40℃。之后開始在表面形成液膜，液滴開始沖擊在液膜表面并伴隨液膜蒸發(fā)，表面溫度繼續(xù)下降直至最低溫度。當(dāng)噴霧結(jié)束并且表面形成的液膜完全蒸發(fā)后，表面溫度開始快速回升。從圖中可以得出，噴嘴結(jié)構(gòu)與尺寸對表面溫度動(dòng)態(tài)變化影響明顯。在相同噴霧工況下，膨脹型噴嘴噴霧冷卻達(dá)到的最低溫度都低于直管型噴嘴，低溫持續(xù)時(shí)間也更長。其中，1#噴嘴最低溫度略低于 0#噴嘴，2#、3#、4#與5#噴嘴最低溫度相近，比0#噴嘴最低溫度值低10℃左右，而2#噴嘴低溫持續(xù)時(shí)間最長。

圖3 不同噴嘴閃蒸噴霧冷卻表面溫度隨時(shí)間變化Fig.3 Variation of surface temperature with time of pulsed flashing spray cooling using different nozzles

圖4為對應(yīng)溫度下應(yīng)用杜哈梅爾定理計(jì)算得到的環(huán)氧樹脂表面熱通量隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化。與圖3相對應(yīng)，當(dāng)液滴沖擊表面時(shí)，熱通量快速上升至最大值，之后當(dāng)表面形成液膜熱通量開始下降并維持在較低值附近，直至液膜完全蒸發(fā)熱通量變?yōu)?0。由上文中熱通量計(jì)算公式可以看出，在相同的熱物性下，表面瞬態(tài)熱通量大小取決于兩個(gè)因素，分別為溫度隨時(shí)間的變化率（dT/dτ）與積分時(shí)間（t-t0），即降溫時(shí)間長短。因此，從圖中不同噴嘴熱通量變化比較得出，膨脹腔型噴嘴（1#～5#噴嘴）熱通量最大值均高于直管型噴嘴（0#噴嘴），且有效冷卻時(shí)間（熱通量大于0）也均長于直管型噴嘴。其中，2#噴嘴熱通量最大值和有效冷卻時(shí)間均為最大，比0#噴嘴熱通量最大值與有效冷卻時(shí)間分別高約60%與260%。

圖4 不同噴嘴閃蒸噴霧冷卻表面熱通量隨時(shí)間變化Fig.4 Variation of heat flux with time of pulsed flashing spray cooling using different nozzles

圖5與為不同噴嘴噴霧冷卻表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化。與圖3與圖4相對應(yīng)，當(dāng)液滴最初沖擊環(huán)氧樹脂表面，傳熱系數(shù)快速上升至最大值，然后當(dāng)表面形成液膜。這時(shí)表面換熱由之前強(qiáng)制對流為主轉(zhuǎn)換為導(dǎo)熱為主，傳熱系數(shù)開始下降。類似地，1#～5#膨脹腔噴嘴傳熱系數(shù)最大值均比 0#直管噴嘴大，其中2#噴嘴傳熱系數(shù)最大值為最大。

圖6為不同噴嘴噴霧冷卻表面單位面積換熱量隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化?？梢钥闯?，液膜完全蒸發(fā)前換熱量隨時(shí)間延長而不斷增加，但是在最初強(qiáng)制對流換熱階段增加速率最快。當(dāng)液膜完全蒸發(fā)時(shí)，換熱量達(dá)到最大值。對比發(fā)現(xiàn)2#噴嘴能夠從冷卻基體帶走的熱量最大，冷卻效果最好，其次依次是3#、4#、5#與1#噴嘴，換熱量最小的為0#直管型噴嘴。

圖5 不同噴嘴閃蒸噴霧冷卻表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨時(shí)間變化Fig.5 Variation of heat transfer coefficient with time of pulsedflashing spray cooling using different nozzles

圖6 不同噴嘴閃蒸噴霧冷卻單位面積換熱量隨時(shí)間變化Fig.6 Variation of heat removal per area with time of pulsed flashing spray cooling using different nozzles

3 討 論

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，膨脹腔型噴嘴閃蒸瞬態(tài)噴霧冷卻產(chǎn)生的表面最低溫度低于無膨脹腔的直管噴嘴，最大熱通量、最大傳熱系數(shù)與最大換熱量以及有效冷卻時(shí)間均高于直管噴嘴。因而，相比目前激光皮膚臨床手術(shù)中制冷劑噴霧冷卻應(yīng)用的直管噴嘴，膨脹腔型噴嘴在冷卻效果方面具有全面的優(yōu)越性。這主要是因?yàn)榕蛎浨恍蛧娮扉W蒸噴霧過程中，制冷劑液體在噴出之前首先在膨脹腔內(nèi)經(jīng)歷了一次閃蒸霧化，液體破碎并發(fā)生劇烈相變產(chǎn)生大量氣泡（如圖7所示4#噴嘴噴霧過程中膨脹腔內(nèi)一次閃蒸霧化發(fā)生相變形成的大量氣泡）。膨脹腔內(nèi)劇烈相變勢必導(dǎo)致液體在噴出之前溫度就已經(jīng)經(jīng)歷一次降溫過程，當(dāng)一次閃蒸霧化后的兩相流體從噴嘴出口噴出后還會(huì)繼續(xù)發(fā)生二次閃蒸霧化與二次降溫。而直管型噴嘴只有當(dāng)液體從噴嘴噴出后才經(jīng)歷一次閃蒸霧化與一次降溫過程。

圖7 4#噴嘴閃蒸瞬態(tài)噴霧過程中膨脹腔內(nèi)一次閃蒸霧化形成的氣泡Fig.7 Bubbles within expansion chamber during the first flashing breakup

此外，膨脹腔尺寸對此系列噴嘴噴霧冷卻效果具有重要影響，從表1膨脹腔尺寸與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可以得出，影響其冷卻效果最主要的因素是膨脹腔的長徑比，而非膨脹腔的體積大小。

4 結(jié) 論

本文搭建了制冷劑閃蒸瞬態(tài)噴霧冷卻實(shí)驗(yàn)臺(tái)，設(shè)計(jì)了一系列不同尺寸的膨脹腔新型噴嘴，針對具有更低沸點(diǎn)的新型制冷劑 R404a，對比研究了膨脹腔新型噴嘴與傳統(tǒng)直管噴嘴閃蒸瞬態(tài)噴霧冷卻表面動(dòng)態(tài)傳熱特性。發(fā)現(xiàn)相比直管噴嘴，膨脹腔型噴嘴在噴嘴內(nèi)、外分別經(jīng)歷一次閃蒸霧化與降溫過程，以及二次閃蒸霧化與降溫過程，因而具有更優(yōu)越的動(dòng)態(tài)冷卻效果。另外，對于膨脹腔新型噴嘴，膨脹腔長徑比是影響其噴霧冷卻效果重要因素，本文發(fā)現(xiàn)當(dāng)長徑比為1：2時(shí)，冷卻效果最佳。

符號說明

cp——環(huán)氧樹脂比熱容，J·kg-1·K-1

D——膨脹腔內(nèi)徑，mm

h——表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，kW·K-1·m-2

L——膨脹腔長度，mm

Q——單位面積換熱量，kJ·m-2

q——表面熱通量，kW·m-2

T——冷卻表面溫度，℃

t——時(shí)間，ms

Δt——噴霧時(shí)間，ms

z——噴霧距離，mm

V——膨脹腔體積，mm3

λ——環(huán)氧樹脂熱導(dǎo)率，W·m-1·K-1

ρ——環(huán)氧樹脂密度，kg·m-3

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